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CAPITULO V: NGH (NATURAL GAS HIDRATES)

14. – Hidratos de Metano – NGH (Natural Gas Hidrates). Los hidratos de gas son un grupo selecto de sustancias químicas cristalinas que tienen la capacidad de formarse de manera natural, de agua y gases de poco peso molecular (llamados compuestos de inclusión), que tienen una estructura clathratica o de jaula y que incluyen moléculas de gas metano. La molécula huésped en la estructura clathratica o de jaula es agua, en forma de hielo y la inclusión son el metano y otros gases. Estas sustancias son sólidas, se pueden formar a temperaturas sobre el punto de congelación del agua. Generalmente todos los gases (exceptuando el hidrógeno, helio y neón) forman hidratos, sin embargo, los más conocidos y abundantes en la naturaleza son los hidratos de metano.

Estructura clathratica (agua) Compuesto de inclusión (molécula de metano)

Fig. 14.1. – Molécula de un hidrato de metano.

Como se aprecia en la fig. 14.1, la unidad básica de hidrato es un cristal hueco de moléculas de agua con una sola molécula de gas flotando en el interior. Los cristales se agrupan en un enrejado compactado. Los hidratos, conocidos también como hidratos de gas, hidratos de metano o clatratos; presentan una estructura similar al hielo, excepto que las moléculas de gas se encuentran ubicadas dentro de los cristales en vez de estar entre ellos. Visualmente los hidratos se asemejan al hielo, pero no actúan como el, ya que se queman cuando se encienden con un cerillo o cualquier tipo de fuego.

Los hidratos se conocen hace casi 200 años y hasta hace poco estas sustancias eran consideradas como curiosidades en los laboratorios químicos. La industria del petróleo se empezó a interesar en los hidratos en la década de 1930, cuando se encontró que la formación de los hidratos de gas era la causa de los bloqueos en algunos ductos en Kazakstán. Desde entonces, la mayor parte de los esfuerzos de la industria relacionados con los hidratos han estado encaminados a evitarlos o a dificultar su acumulación.

143 En la década de 1960, personal de perforación ruso descubrió la formación natural de hidratos en un campo de gas en Siberia. Posteriormente, en la década de 1970, científicos de expediciones de perforación en aguas profundas, descubrieron que los hidratos no sólo se forman naturalmente en las regiones continentales polares, sino también en los sedimentos de aguas profundas en los límites continentales exteriores.

Muchos estudios demuestran que el gas que

se encuentra en los hidratos formados naturalmente se produce cuando bacterias anaeróbicas descomponen materia orgánica por debajo del fondo del mar, produciendo metano y otros subproductos gaseosos incluyendo dióxido de carbono, sulfuro de hidrógeno, etano y propano. Todos estos pueden incorporarse como moléculas huésped en los hidratos, pero entre ellos predomina el metano.

La naturaleza compacta de la estructura de hidrato contribuye a la altamente eficaz compactación del metano. Un volumen cúbico de hidrato contiene gas que se expande entre 150 y 180 volúmenes cúbicos a presión y temperatura estándar (normales). La gran mayoría de estos hidratos marinos se encuentran confinados en los límites de los continentes donde las aguas tienen una profundidad aproximada de 500 metros y donde las aguas ricas en nutrientes descargan residuos orgánicos para que las bacterias lo conviertan en metano. Los hidratos de gas se han encontrado en el fondo del mar, pero su ubicación usual es de 100 a 500 metros por debajo de éste. En las regiones de permafrost (capas situadas a cierta profundidad que permanecen heladas todo el año), los hidratos de gas pueden formarse en zonas menos profundas debido a que las temperaturas de la superficie son menores.

Fig. 14.2. – Teoría sobre la estabilidad del hidrato de metano (en el fondo marino) en función de la presión, la temperatura y profundidad.

144 Teóricamente los requisitos de estabilidad (fig. 14.2) se cumplen en alto porcentaje en el fondo del mar de la pendiente continental. El problema surge con la poca estabilidad de los hidratos cuando se encuentran a bajas presiones y altas temperaturas, esto genera que las investigaciones científicas se compliquen; pocos hidratos hidratos formados naturalmente han sobrevivido el suficiente tiempo para ser estudiados.

Existe un arduo consenso, que aproximadamente 20.000 trillones de metros cúbicos de metano se encuentran atrapados en los hidratos. Alrededor del 99% de éstos se encuen encuentran tran en sedimentos marinos costa afuera. El total es de aproximadamente dos órdenes de magnitud mayores a la cantidad del metano convencional recuperable en la actualidad, esto equivale aproximadamente a 250 trillones de m3. Es decir, los hidratos pueden ccontener ontener 10 trillones de toneladas de carbono, más del doble de todo el petróleo, carbón y las reservas de gas convencionales del mundo combinados (véase la fig. 14.3).

Contenido de carbono de los recursos de hidrocarburos conocidos

Biota terrestre 830 Materia orgánica disuelta en agua 980

Turba 500

Otros 67

Hidratos de gas (tierra firme y costa fuera) 10.000

Suelo 1.400

Combustibles fósiles recuperables y no recuperables (carbón, petróleo y gas natural) 5.000

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Unidades = 10 g carbono

Fig. 14.3. – Contenido de carbono de los recursos de hidr hidrocarburos ocarburos conocidos en el mundo. Fuente: Kvenvolden K: “Gas Hydrates – Geological Perspective and Global Change”1993.

Las estimaciones de este recurso de hidrocarburos potenciales, está conduciendo a varios países a iniciar programas de investigación y exploración para entender el comportamiento de los hidratos, identificar acumulaciones y desarrollar métodos de extracción. Japón, India, Estados Unidos, Canadá, Noruega y Rusia son algunos de los países que actualmente están desarrollando investigaciones sobre los hidratos de gas.

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15. – Retos relacionados con los hidratos de gas. El interés en los hidratos esta creciendo y varias de las tecnologías que han mostrado ser eficaces para la exploración convencional de hidrocarburos y para la evaluación de formaciones, se están aplicando al problema de caracterización de los hidratos. Además los especialistas no están de acuerdo en la cantidad de hidratos presentes en las porciones accesibles del subsuelo.

Se cree que los cálculos citados de metano en los hidratos de gas son exagerados. Por otro lado, aunque se comprobara que los cálculos son verdaderos, si el hidrato se distribuye en forma dispersa en el sedimento en lugar de concentrarse, no podrá recuperarse fácilmente, de un modo económicamente efectivo o sin peligro para el medio ambiente.

15.1 – Explotación.

Los hidratos de gas se encuentran agrupados con otros recursos de hidrocarburos no convencionales, tales como capas carboníferas con metano y arenas compactas. Con la excepción de los hidratos, en la actualidad se está produciendo comercialmente alguna porción del volumen total mundial de estas fuentes no convencionales. En la mayoría de los casos, la evolución de un recurso de gas no convencional y no producible a uno producible ha sido una consecuencia directa de una importante inversión de capital del desarrollo de la tecnología.

Fig. 15.1. – Montículo de hidrato de gas activo en el fondo marino, de aproximadamente 1.5m de diámetro a una profundidad de 542m.

La industria del gas ha trabajado lentamente en el desarrollo de metodologías para extraer el metano de los hidratos. Existen tres métodos de extracción de gas natural por medio de fuentes de hidratos, todos estos métodos comprenden la disociación de la molécula de metano del hidrato de gas, in situ. Entiéndase por disociación como un proceso por el cual

un material se

descompone en sus partes constituyentes, en estos casos usualmente se involucra una combinación de liberar presión y subir la temperatura de las fuentes de hidratos.

146 i.

Despresurización: En algunas reservas de hidratos hay zonas en las cuales el gas natural (metano) ya está en su estado libre, si se perfora un pozo en dicha zona para extraer el gas natural, también se puede reducir la presión en el interior de la capa de hidrato de gas subyacente. Si esta reducción de presión es suficiente como para provocar la disociación, entonces se puede liberar el gas de la capa de hidrato y extraerlo al mismo tiempo.

ii.

Inyección térmica: Con esta técnica, se introduce calor en el interior de la formación del hidrato para aumentar la temperatura del material y provocar la disociación. Un ejemplo de esto es la inyección de agua marina relativamente cálida en una capa de hidratos de gas submarina. Una vez que se libera el gas en el interior de la capa, se lo puede llevar hacia la superficie.

iii.

Inyección de inhibición: Ciertos alcoholes, como el metanol o etilengicol, actúan como inhibidores cuando se los inyecta en una capa de hidrato de gas, cambiando las características físicas y químicas del hidrato. Específicamente los inhibidores modifican el equilibrio presión – temperatura de modo que los hidratos ya no sean estables en sus condiciones normales y el metano sea liberado.

iv.

DESPRESURIZACIÓN

INYECCIÓN TÉRMICA

INYECCIÓN DE INHIBICIÓN

Fig. 15.2. – Métodos considerados para la extracción de hidratos de metano.

147 De los tres métodos, la disociación por inyección de agua caliente puede ser la más práctica. No obstante, los hidratos de gas se convertirán en un recurso potencial, únicamente cuando pueda demostrarse que la energía recuperada (de un determinado pozo de hidratos) es mucho mayor que la energía necesaria para liberar el gas metano.

15.2. – Estabilidad del fondo marino.

La disociación de los hidratos puede ocasionar inestabilidad en los sedimentos del fondo del mar depositados sobre pendientes continentales. La base de la zona de hidratos de gas puede representar una discontinuidad en la solidez de la columna de sedimentos, La presencia de hidratos puede inhibir la consolidación y compactación del sedimento normal y el gas libre atrapado debajo de la zona de hidratos puede sobre presionarse. Cualquier técnica de extracción o explotación de hidratos debería tener éxito sin ocasionar inestabilidad adicional.

Un ejemplo de los problemas que surgen cuando los hidratos se disocian puede encontrarse fuera de los márgenes del Océano Atlántico en los Estados Unidos de Norteamérica. En este lugar, la pendiente del fondo del mar es aproximadamente de 5º y como tal debe ser estable. Sin embargo, se han observado muchas marcas ocasionadas por los deslizamientos de bloques submarinos. La profundidad de las marcas es de aproximadamente el límite somero de la zona de estabilidad de los hidratos. Los BSR (Bottom Simulating Reflector – Reflectores paralelos al fondo del mar que indican la presencia de hidratos de gas en los sedimentos marinos) son más débiles en las áreas que presentan deslizamientos de tierra, indicando quizá que los hidratos no están presentes actualmente y que pueden haber escapado. Los científicos creen que si disminuye la presión en los hidratos, como sucedería en una caída en el nivel del mar durante el período glacial, entonces los hidratos pueden disociarse en la profundidad y ocasionar que los sedimentos saturados de gas se deslicen (Véase la figura 15.3).

Fig. 15.3. – Disociación de hidratos responsable de un deslizamiento de un bloque submarino. Fuente: Kvenvolden KA: “Efectos Potenciales de Hidrato de gas sobre el Bienestar Humano”.

148 Al observar la fig. 15.3, se aprecia como la disociación de hidratos pude ocasionar deslizamientos en algunos bloques del suelo marino. Una disminución de la presión en la zona de hidratos les permitiría disociarse en la profundidad y ocasionar que los sedimentos no consolidados encima de ellos se deslicen.

Las plataformas y los ductos marinos también están sujetos a deslizamientos de tierra marinos relacionados con los hidratos. Las compañías de exploración y producción de petróleo y gas que operan en aguas profundas se encuentran desarrollando constantes investigaciones con el objetivo de encontrar formas para detectar las áreas de inestabilidad, a fin de evitar la instalación de estructuras en suelo inestable.

15.3. – Efecto Invernadero.

Alrededor del mundo, los hidratos contienen metano en cantidades mucho mayores a las actualmente encontradas en la atmósfera. El metano incrementa el efecto invernadero aproximadamente 20 veces más drásticamente que un peso equivalente de dióxido de carbono (CO2). Los científicos del clima sugieren que la disociación de los hidratos durante un período glacial con bajo nivel del mar liberaría el metano hacia la atmósfera y calentaría la tierra, posiblemente ejerciendo una acción estabilizadora del clima. Por ejemplo durante la última glaciación, se estima que ocurrió un descenso en el nivel del mar de 120 m. Esto pudo haber incrementado la base de la zona de estabilidad del hidrato en 20 m, desestabilizando los sedimentos, ocasionando hundimiento y liberación de metano a la atmósfera y a la vez ocasionando el calentamiento de la atmósfera. El calentamiento podría haber derretido los glaciares, terminando con el período glacial del Pleistoceno.

Por otro lado, el metano liberado desde las capas de permafrost en el Ártico durante un período de calentamiento global podría calentar más aún la atmósfera, exacerbando el calentamiento climático, y en consecuencia desestabilizar el clima mundial.

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16. – Producción de Hidratos de metano. Ya sea que los hidratos formados naturalmente se conviertan o no en la próxima fuente de combustible del mundo, es posible encontrar otros usos para el conocimiento adquirido acerca de la formación de hidratos. Los investigadores de la Universidad Noruega de ciencia y Tecnología (NTNU, por sus siglas en inglés) en Trondheim analizaron la posibilidad de almacenar y transportar gas natural en su estado de hidrato a presión atmosférica. Experimentos realizados en la NTNU demostraron que una vez que se forma el hidrato (artificialmente), no se disociará si se lo mantiene en o por debajo de los -15ºC. Aplicaciones potenciales de esta tecnología abundan. Entre ellas, se pueden mencionar:  El gas producido en los campos petroleros podría convertirse en hidrato de gas sólido y transportarse en tanques de transporte o mezclarse con petróleo crudo refrigerado y transportarse como pasta aguada en tanques de transporte o a través de tuberías.  El hidrato, así como el gas natural líquido (LNG), puede transportarse a través de grandes distancias por medio de barcos adaptados para la contención de hidratos de gas.  Cuando sea necesario el almacenamiento de gas, el gas natural puede convertirse en hidratos y almacenarse refrigerado a presión atmosférica.  El nitrógeno, el dióxido de carbono y el sulfuro de hidrógeno pueden separarse del metano mediante la formación de hidratos.  Las sales y los materiales biológicos pueden separarse del agua mediante el proceso de formación de hidratos.  El dióxido de carbono puede eliminarse de la atmósfera y almacenarse en forma de hidrato sólido para ser transportado y eliminado en aguas profundas.

A medida que más países restringen la quema de gas y que algunos productores no están dispuestos a construir ductos, la conversión de gas a la forma de hidrato podría proporcionar convenientes alternativas de eliminación y transporte. En particular, el NGH (Natural Gas Hydrates – Hidratos de Gas Natural) empieza a llamar la atención en todo el mundo como una nueva forma de transporte y almacenamiento del gas natural.

Tabla 1.- Propiedades físicas para el NGH y LNG. NGH

LNG

Modo de transporte y almacenado

Sólido

Líquido

Temperatura de contención

-20 ºC

-162 ºC

Gravedad específica

0.85 – 0.95

0.42 – 0.47

Contenido en 1 m3

Gas natural: sobre 170m3

Gas natural: 600m3

Agua: 0.8 m3

Fuente: MES - MITSUI ENGINEERING & SHIPBUILDING CO., LTD

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17. – Nuevo método para el transporte marítimo de Gas Natural – NGH (Natural Gas Hydrates). Hydrates) Tomando en cuenta las investigaciones realizadas realizadas sobre los hidratos contenidos y formados en el fondo marino, científicos del mundo han estudiado la posibilidad de crear artificialmente hidratos de gas en forma de pellets, con el objetivo de facilitar y reducir los costos de producción y almacenamiento almace de gas natural o LNG.

En comparación con el típico Gas Natural Licuado (LNG o GNL) producido y almacenado a temperaturas extremas de aproximadamente -162ºC, 162ºC, la producción y costos para producir NGH son mucho menores, ya que su almacenamiento y pproducción roducción requieren temperaturas menores que varían entre los -15ºC hasta -20ºC. 20ºC. Esto implica que la energía que se utiliza para la producción sea mucho menor y por lo tanto sus costos se reducen considerablemente.

Fig. 17.1. – Cadena integrada del LNG v/s NGH.

Aunque los costes de las instalaciones para producir LNG y NGH son similares, la ventaja del NGH se manifiesta en su transporte y almacenamiento (según MITSUI ENGINEERING & SHIPBUILDING CO., LTD los costos se reducen cerca de un 20%). Consider Considerando ando las constantes alzas en los precios de los combustibles en la actualidad, esto tiene una gran relevancia y en un futuro muy cercano podría permitir explotar yacimientos menores, e incluso aprovechar los gases sobrantes de la extracción del petróleo quemados quemados en las torres de extracción. Condensador (Agua marina o enfriada)

Compresor

Hidratos + agua

Agua

Separador

Reactor

Hidratos + agua

Agua Gas Natural Secador

Intercambiador de Calor (Enfriamiento)

Fig. 17.2. – Proceso de producción de NGH.

Almacenaje

151 De acuerdo a lo expuesto en la fig. 17.2, el proceso de producción de hidratos comienza con la inyección de gas natural hacia un secador en donde se enfría el gas natural, antes de que ingrese al reactor. Una vez en el reactor se inyecta agua, y por medio de una variación de presión y temperatura se produce el hidrato, las condiciones de equilibrio de presión y temperatura dependerán de la planta productora, pero como manera general el reactor trabaja siempre a 2ºC bajo la temperatura de equilibrio. Luego el hidrato atraviesa un separador y una vez más ingresa al secador, con el objeto de eliminar rastros de agua en el hidrato, antes del almacenamiento de los hidratos estos se transforman en pellets para su posterio posteriorr transporte. De esta forma se obtienen los pellest de NGH, estos se almacena en tanques adaptados para la contención de NGH a una temperatura cercana a los -20ºC; 20ºC; luego el transporte por mar se realiza por medio de Bulk Carriers adaptados para contener pellets pellets de NGH. Tal como se muestra en la siguiente figura.

Pellets

Fig. 17.3. – Imágenes conceptuales de un Bulk Carrier adaptado para el transporte de hidratos de gas – NGH. Fuente: MES – MITSUI ENGINEERING & SHIPBUILDING CO., LTD.

De acuerdo a variados estudios realizados (MES – MITSUI ENGINEERING & SHIPBUILDING CO., LTD), los métodos de producción utilizados para la producción de hidratos consumen cerca de la mitad de la energía consumida en una planta productora de LNG.

En conjunto junto con The National Maritime Research Institute y Osaka University con el soporte de Corporation for Advanced Transport & Technology, MES a desarrollado un buque apto para el transporte de NGH, el cual constituye una de las partes más importantes en la cadena integrada del NGH.

152 Los hidratos de gas transportado en barcos, son transformados físicamente en pellets lo cual mejora la eficiencia de carga y descarga del producto. Los sistemas de contención son similares a los tanques de carga independientes (nombrados en el Capítulo III), pero adaptados para un Bulk Carrier. Con respecto a la carga y descarga de los pellets, esta se realiza a través de una cinta transportadora, al igual que en la mayoría de los graneleros convencionales, el transporte del producto hacia los espacios de carga se realiza mediante una cinta transportadora horizontal y la descarga se efectúa mediante cintas verticales hacia las terminales en tierra firme para su posterior transporte y regasificado. Con respecto al regasificado, grandes volúmenes de agua son obtenidos durante este proceso en tierra, es posible retornar estos volúmenes de agua hacia los buques de NGH, en donde pueden ser utilizados como lastre, de esta forma el agua utilizada en la producción de los hidratos es reciclada y retornada a los campos de producción de NGH a través de los mismos barcos.

Un asunto aún pendiente es que tanto el proceso de producción y el transporte de los pellets de NGH aún no se encuentra reconocido, por tanto será necesario someterlo a un proceso estandarizado internacional. La Clasificadora nipona CLASSNK en cooperación con MES y NATIONAL MARITIME RESERACH INSTITUTE de Japón, se encuentra desarrollando un estudio preliminar sobre los requerimientos de seguridad para el transporte marítimo de pellets de NGH. El estudio pretende alcanzar los mismos niveles de seguridad aplicados a las naves para el transporte de LNG, especificados en el CÓDIGO IGC, tanto como sea posible; dado que el NGH es un sólido y no un gas o líquido como lo requiere dicho código. Los estudios actuales incluyen integridad estructural, peligros relacionados con la temperatura y el fuego; debido a la naturaleza del NGH los peligros relacionados con la toxicidad, corrosión y reactividad son insignificantes. Los peligros relacionados con las bajas temperaturas exigen la existencia de barreras de contención tanto primarias como secundarias, como también la existencia de aislamientos en los espacios de carga. Todos estos estudios se realizaron en base al buque modelo, mostrado en la fig. 17.3.

El desarrollo de esta tecnología de transporte de gas natural ha demostrado tener un gran potencial, tanto para el transporte como para su posterior almacenamiento desde los campos de extracción. Un vez que esta tecnología se desarrolle por completo los campos de gas y específicamente las reservas de hidratos podrán ser finalmente explotados, y no solo será un gran paso para abastecer el consumo energético global, sino que además será un gran avance para la industria naval.

153

18. – Hidratos de metano en Chile. Chile Particularmente Chile ha realizado misiones de exploración en busca de hidratos en el fondo marino nacional. Entre estas investigaciones destaca el proyecto FONDEF “Hidratos de gas submarinos, una nueva fuente de energía para el siglo XXI”, el cual se lle llevó vó a cabo en un plazo de tres años, comenzando en septiembre del 2001 y terminando en octubre del 2004.

Durante el primer año se efectuó una recopilación de antecedentes relativos a la información geológica y geofísica disponible en el margen continenta continental, l, así como también, a la información relativa al marco legal existente. En el transcurso del segundo año y también durante el tercero, se efectuaron dos campañas oceanográficas a bordo del buque oceanográfico AGOR “VIDAL GORMAZ”, en los sectores con Latitud Latit 31º - 34º S; 36º - 39º S (abarcando el área de Valparaíso por el norte y el Canal de Chacao por el sur).

Fig. 18.1. – Track (área de exploración demarcado en rojo) del crucero VIDAL GORMAZ.

El propósito de esta investigación fue investigar la distr distribución ibución geográfica de los hidratos de gas bajo el fondo marino nacional. Los mayores logros de esta investigación fueron los siguientes:

154  Mapeo del fondo marino de la mayor parte del área de estudio.  Obtención de casi dos mil kilómetros de secciones sísmicas, que sirvieron para delimitar las zonas con presencia de hidratos de gas.  En general, los hidratos se encontraron en regiones, donde el fondo marino tiene una profundidad de 700m hasta unos 3000m de profundidad.  La zona costa afuera, comprendida entre Linares y Concepción, muestra lo más extensos yacimientos de hidratos de gas, pero también se dan entre Rapel y Linares, y entre Isla Mocha y Valdivia.  Se pudo concluir que frente a la zona centro-sur de Chile, los depósitos de hidratos de gas son muy importantes, teniendo un enorme potencial como recurso energético.

En el margen Chileno, estudios sísmicos marinos han permitido la identificación de hidratos de gas en nuestro suelo marino. Si bien relevantes, estos estudios no permiten una estimación precisa del recurso disponible. Sin embargo, inferencias basadas en criterios razonables e independientes, permiten una estimación en el rango de 1013 – 1014 m3. Por una parte esta estimación es aproximadamente el 3% del total mundial, correspondiendo a la proporción chilena del margen continental mundial. Conservativamente, se pueden asumir los siguientes parámetros para la capa de hidrato:  Espesor = 100m  Longitud E – W = 20 km  Longitud N – S = 1000 km (aproximadamente un 20% del margen chileno contiene hidratos)  Concentración de hidratos en los sedimentos = 10%; y 160m3 de gas por cada m3 de hidrato. Con estas cifras el volumen de gas estimado es de 3.2 x 1013m3. La cantidad de gas estimado anteriormente (1013 – 1014 m3) es aproximadamente superior en 3 órdenes de magnitud al consumo anual de gas en Chile. En consecuencia, aún si solo una pequeña fracción del recurso pudiera efectivamente ser explotado, su impacto económico sería considerable.